Проблемы горизонта и плоскостности
Одно важное свойство нашей Вселенной состоит в том, что она выглядит одинаковой во всех направлениях. В частности, температура космического фонового излучения почти одинакова в различных направлениях на небе. Это излучение было испущено различными областями Вселенной, которые, должно быть, сообщались друг с другом, раз уж их температура одинакова. Причем это сообщение должно было происходить до того, как Вселенной исполнилось 300000 лет, когда в последний раз взаимодействовало это излучение. В отсутствие инфляции такие области не могут сообщаться друг с другом, и во Вселенной возникает проблема горизонта. Инфляционная Вселенная, как мы увидим, изящно обходит эту проблему.
По мере расширения Вселенной одновременно происходят две вещи. Во-первых, расширяется сама Вселенная, что попросту означает, что пространство-время Вселенной увеличивается. Во-вторых, Вселенная становится старше, так что у световых сигналов появляется больше времени на распространение, вследствие чего в причинную связь могут вступить более обширные области Вселенной. Если какое-то событие, происходящее в некотором месте в определенный момент времени, может повлиять на отличную от него точку в пространстве и времени, то говорят, что эти два события находятся в причинной связности. Например, вы можете повлиять на события, которые произойдут через минуту в комнате, где вы читаете эту книгу: быть может, вы разведете костер и спалите эту комнату. Однако что бы вы ни сделали, это никак не повлияет на то, что в следующую минуту произойдет на Марсе. Марс расположен на расстоянии, превышающем одну световую минуту, а ни один сигнал, несущий информацию, не может передвигаться быстрее скорости света.
В фазу, отличную от инфляции, Вселенная расширяется со скоростью, «не превышающей скорость света». С другой стороны, в силу того что действительный размер Вселенной определяется расстоянием, которое могут преодолеть световые сигналы, та часть Вселенной, которая может вступить в причинную связь, растет со скоростью света. Принимая во внимание совокупность этих результатов, можно сделать вывод, что Вселенная, содержащаяся в пределах горизонта причинной связности, со временем увеличивается. Другими словами, с течением времени к так называемой видимой Вселенной непрерывно добавляется новый материал. Временная шкала, по которой Вселенная таким образом изменяется, сейчас насчитывает миллиарды лет, что можно приблизительно сравнить с настоящим возрастом Вселенной. В итоге, несмотря на непрекращающийся рост Вселенной, такие изменения невозможно заметить за время жизни, отпущенное человеку.
Теперь мы можем сформулировать проблему горизонта более точно. Наблюдая космическое фоновое излучение, мы, в действительности, смотрим в прошлое в то время, когда Вселенной было около 300 000 лет. Это была последняя эпоха, когда фоновое излучение могло взаимодействовать с веществом, и наблюдаемые нами сегодня фотоны фонового излучения свободно распространяются с тех самых пор. Таким образом, когда было испущено фоновое излучение, диаметр ограничиваемой скоростью света сферы, устанавливающей границу причинной связности, составлял всего 300000 световых лет. Поскольку Вселенная с того времени расширилась, в настоящую эпоху эти области достигли размера порядка трехсот миллионов световых лет. Однако, когда мы наблюдаем космическое фоновое излучение, глядя в небо в противоположных направлениях, мы изучаем выборочные области, разделенные размером всей видимой сегодня Вселенной — расстояниями, превышающими двадцать миллиардов световых лет. Эта величина много больше размера областей, которые могли вступать в причинную связь, и все же наблюдаемые температуры космического фонового излучения практически одинаковы: они отличаются лишь на сто тысячные доли. Из априорных соображений, не существует какой бы то ни было причины того, почему температуры областей, никоим образом не связанных друг с другом, должны быть настолько одинаковы. Эта дилемма и составляет проблему горизонта.
Инфляция естественным образом разрешает эту проблему горизонта. Вообразите крошечную область Вселенной, которая находится в причинной связи с самой собой в момент, предшествующий началу инфляционного периода расширения. По определению, размер такой области должен быть меньше произведения скорости света и возраста Вселенной на тот момент. Теперь представим, что эта маленькая область увеличивает свой размер в безумно большое число раз. Если коэффициент роста достаточно велик, то вся видимая сегодня Вселенная может содержаться в пределах той причинно связанной области, с которой мы начали. При этом коэффициент роста должен равняться 1028 — тот же магический коэффициент, который мы встречали и раньше. Во Вселенной, переживающей инфляцию, размеры областей, которые уже вступали в причинную связь, областей с возможностью наличия одинаковых характеристик, гораздо больше, нежели размеры тех же областей во Вселенной, где инфляция отсутствует (см. рисунок 1).
Рис. 1. На этом рисунке показан размер Вселенной в соответствии как со стандартной теорией Большого взрыва, так и с ее усовершенствованным вариантом, включающим инфляционную фазу расширения. Инфляционная модель помогает решить проблему горизонта, поскольку разрешает гораздо меньший размер Вселенной в отдаленном прошлом. Эта маленькая Вселенная в некоторый ранний момент истории могла находиться в причинной связи с самой собой и тем самым обеспечить крайнюю однородность, которую мы наблюдаем в нашей Вселенной сегодня
Другая проблема, встающая перед космологией, в которой отсутствует инфляция, носит название проблемы плоскостности. В этом случае проблема состоит в следующем: мы видим, что пространственная геометрия пространства очень плоская, а это означает, что плотность Вселенной довольна близко к некоторому критическому значению. Плоская Вселенная имеет именно эту критическую плотность, и ей суждено расширяться вечно, но с постоянно уменьшающейся скоростью. Чтобы современная Вселенная обладала этим свойством, начальные условия расширения Вселенной должны были быть очень особенными, а следовательно, крайне маловероятно, чтобы они имели место быть.
Расширяющаяся Вселенная может быть открытой, замкнутой или плоской, причем плоская Вселенная представляет собой промежуточный случай, когда Вселенная расширяется вечно, но крайне медленно. Когда мы выполняем измерения, чтобы определить количество вещества во Вселенной, мы находим, что наша Вселенная близка к плоской. Плотность Вселенной имеет критическое значение — значение плотности, которое должна иметь Вселенная, чтобы быть плоской, — с точностью до множителя два-три. Точнее, отношение Ω0 общей плотности энергии Вселенной к ее критическому значению, судя по всему, лежит в диапазоне 0,3 < Ω0 < 2, который включает и случай плоской Вселенной Ω0 = 1.
Так в чем же здесь проблема? Сложность возникает из-за того, что отношение Ω, которое представляет собой меру того, насколько Вселенная далека от критического плоского случая, со временем изменяется. Если плотность Вселенной не достигает критического значения (что означает, что Ω < 1) в данный момент космологического времени, то расширение Вселенной побеждает в битве с гравитацией. С течением времени быстрое расширение делает Вселенную еще менее плотной, приводя к тому, что значение Ω становится еще меньше. Таким образом, если в некоторый данный момент времени значение плотности Вселенной ниже критического, через относительно короткое время значение Ω становится чрезвычайно малым, намного меньше критического значения, равного единице. Чтобы в настоящее время значение Ω находилось где-то вблизи единицы, в прошлом Вселенная должна иметь значение Ω чрезвычайно близкое к критическому единичному значению, но чуть-чуть его не достигающее. Если вернуться в самое начало, когда закладывались начальные условия для Вселенной, когда истекло менее 10-43 секунд, значение Ω должно было быть пугающе близким к единице, с невероятной точностью порядка одной из 1060. Сложно понять, почему во Вселенной должно было возникнуть такое невероятно точное значение плотности энергии, которое необходимо, чтобы сегодня Ω, имела значение, близкое к единице. Точно так же, если Вселенная будет иметь плотность, чуть превышающую критическое значение, гравитация выиграет сражение с расширением и отношение Ω быстро и намного превысит единицу.
Однако космологическая проблема плоскостности также смягчается в том случае, если колоссальное инфляционное расширение Вселенной действительно имело место. Чтобы проиллюстрировать решение проблемы плоскостности, надуем шарик и рассмотрим его поверхность в качестве двумерной модели Вселенной. Поверхность шарика искривлена, и эта кривизна представляет собой кривизну пространства-времени. Если мы надуем шар до некоторого невероятно раздутого состояния, так что его радиус будет, скажем, в 1028 раз больше, то поверхность этого шара будет казаться куда более плоской. Если в начале мы возьмем обычный шарик, радиусом около десяти сантиметров, то конечный размер раздутого шара будет превышать размер всей видимой в настоящее время Вселенной. Точно так же, как поверхность шарика становится более плоской под действием колоссального расширения, так и кривизна пространства-времени выравнивается, когда Вселенная раздувается в огромное число раз (см. рисунок 2).
